CN116358967B - 一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及原位检测技术领域，尤其为一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，包括：腔室，所述腔室的一端用于放置固体标准物质，固体标准物质挥发产生蒸气作为压力稳定的气源；限流部，位于所述腔室另的一端，用于限制气源流速；温度贴点，位于所述腔室的一端，用于测量腔室和标准物质的温度；阀门，位于所述限流部和温度贴点之间，用于控制气源是否流出所述腔室。本发明，体积小、功耗低、不需要主动热控，利用固态样品，稳定性高、不易因泄露损失，固态样品饱和蒸气压低的优势，每次释放标准物质量少、可控，因此使用次数和总时长远远高于气态标准物质。
Description
技术领域
本发明涉及原位检测技术领域，具体为一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置。
背景技术
航天探测领域中，对天体大气、彗星喷发气体等气态物质探测需使用气体检测仪器，进行气体浓度、成分等特性的原位检测。
气体检测仪器在轨工作时的性能会随着环境条件变化、使用时长增加等发生变化，因此极有必要对其进行在轨定标，以确保探测数据的可靠性。
气体检测仪器的在轨定标需要使用含有已知成分标准物质的标准源，可将标准物质释放到气体检测仪器进样口或内部达到已知且稳定的含量。
目前成功执行过航天探测任务的气体检测仪器极少携带标准源进行在轨定标，而且主要问题有：使用次数有限、气体成分易泄露和变化、由于热控温度要高于所有气体沸点因此功耗大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，包括：
腔室，所述腔室的一端用于放置标准源，所述标准源包括固体标准物质，固体标准物质释放产生的蒸气作为压力稳定的气源；
限流部，位于所述腔室另的一端，用于限制气源的流速；
温度贴点，位于所述腔室的一端，用于测量腔室和标准物质的温度；
阀门，位于所述限流部和温度贴点之间，用于控制气源是否流出所述腔室。
进一步的，还包括过滤部，该过滤部为筛网/滤芯，该筛网/滤芯位于所述阀门和温度贴点之间的腔室内，用于将含有固体标准物质的腔室出口堵住，防止标准物质溢出，并使气源通过。
进一步的，所述腔室用于放置固体标准物质的一端封闭，腔室体积在0.1~5mL。
进一步的，所述固体标准物质为含有一种或多种固体物质，包括但不限于萘。
进一步的，所述固体标准物质蒸气压常温在0.1~100Pa，质量在80~500amu，固体标准物质总重量在0.01~10g。
进一步的，所述限流部为一带有限流孔的金属片，该限流孔流导未0.1~0.0001mL/s。
进一步的，所述筛网/滤芯孔隙度小于固体标准物质颗粒物直径。
进一步的，所述筛网/滤芯选用多孔金属材料，孔隙度小于等于10μm。
进一步的，一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置的使用方法，包括：
腔室内的固体标准物质释放产生蒸气，蒸气的压力为当前温度下该物质的饱和蒸气压，作为压力稳定的气源；
对气体检测仪器定标时，开启阀门，气源在压力差的带动下自发地流过筛网/滤芯、阀门、限流孔；
在气源进入气体检测仪器后，启动仪器对其进行检测；
标定结束后关闭阀门；
根据温度贴点测量的固体标准物质温度和饱和蒸气压与温度转换关系，计算饱和蒸气压力，最终用于计算标准物质产生标准蒸汽的浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本装置体积小、功耗低、不需要主动热控。本装置利用固态样品，稳定性高、不易因泄露损失。本装置利用固态样品饱和蒸气压低的优势，每次释放标准物质量少、可控，因此使用次数和总时长远远高于气态标准物质。
附图说明
图1为本发明结构原理图。
图2为本发明实施例利用萘这种标样去标定质谱仪所得信号质谱图。
图3为本发明实施例根据气压、进气和排气流导等计算出来的萘压力随时间变化的情况示意图。
图中：1-腔室、2-筛网、3-阀门、4-限流孔、5-温度贴点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上端”、下端”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、 “套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1至图3，本发明提供一种技术方案：
目前成功执行过航天探测任务的气体检测仪器极少携带标准源进行在轨定标，使用的标准源均为标准气体。例如，2011年发射的好奇号火星车搭载的火星实验室携带了一罐含有八种气体成分的标气作为其质谱仪和激光光谱仪的标准源。采用气体的标准源包含压力容器、控制阀门、限流装置、热控装置。
气体检测仪器的在轨定标需要使用含有已知成分标准物质的标准源，可将标准物质释放到气体检测仪器进样口或内部达到已知且稳定的含量。利用气体检测仪器对其进行检测则可对仪器的准确性、灵敏度、参数等定标。此外，为了确保仪器全生命周期的准确性，标准源可用次数应与气体检测仪器使用寿命相符，实现定期校准。最后，考虑到航天探测领域空间环境以及工程限制，标准源应具有体积小、重量轻、功耗低、稳定性和可靠性高等特点。
而目前采用气体的标准源主要问题为使用次数有限、气体成分易泄露和变化、由于热控温度要高于所有气体沸点因此功耗大。
本发明的航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置可划分为固体标准物、筛网、阀门、限流孔和温度贴点五部分。
（一）各部件如图1所示：
含有固体标准物（质）的腔室1，筛网2/滤芯，阀门3，限流孔4，温度贴点5。
（二）各部件安装和连接方式如下所述：
四部分间应气密相连，优选焊接和螺接方式。
含有固体标准物的腔室1一端封死，另一端与筛网2相连。
阀门2入口与筛网2相连，阀门3出口与限流孔4入口相连。
限流孔4出口与需标定气体检测仪器相连。
含有固体标准物的腔室1外表面固定一路5温度贴点。
（三）各部件的功能性作用如下：
含有固体标准物的腔室1为产生标准物质的源头，含有一种或多种固体物质与其饱和蒸气，需要说明的是本装置只要装进去标准物质，体物质与其饱和蒸汽即一同存在于腔室1中，加热仅改变蒸气压力。根据所标定气体检测仪器所需标准气体压力和可检测气体种类选取固体标准物质，对于基于质谱原理的气体检测仪器，固体标准物优选饱和蒸气压（常温）在0.1~100Pa范围内，优选质量范围在80~500amu范围内，标准物质总重量优选0.01~10g。腔室体积优选0.1~5mL范围。
筛网2用于将含有固体标准物的腔室出口堵住，防止标准物质溢出，但允许标准物蒸气通过。筛网孔隙度应远小于固体标准物颗粒物，优选多孔金属材料，孔隙度优选小于等于10微米。
阀门3用于控制标准物蒸气是否流出腔室，阀门3开启时标准物质蒸气流入限流孔进而流入被标定仪器。阀门优选微型自锁阀以降低重量和功耗，各向漏率优选小于等于10-7Pam3/s减少标准物质泄露。
限流孔4用于限制标准物质蒸气流速，使其稳定流出标准源装置。为减小重量，限流孔优选为一带有微孔的金属片。限流孔流导根据所标定气体检测仪器所需标准气体压力、标准物质腔体温度、标准物质分子量、限流孔出口压力等决定，对于基于质谱原理的气体检测仪器，限流孔流导优选0.1~0.0001mL/s。
温度贴点5用于测量标准物质腔室和标准物质的温度，进而根据标准物质饱和蒸气压与温度转换关系推算饱和蒸气压力，结合限流孔流导最终用于计算标准源产生标准蒸汽的浓度。
（四）工作原理
1）、含有固体标准物的腔室1内的固体标准物质挥发产生蒸气，由于腔室密闭，蒸气压力为当前温度下该物质的饱和蒸气压，可作为压力稳定的气源。
2）、当需要对气体检测仪器定标时，开启阀门，固体标准物质的蒸气在压力差的带动下自发地流过筛网2/滤芯、阀门3、限流孔4。
3）、在限流孔4的限流作用下，固体标准物质的蒸气可保持缓慢、稳定的流速，因此在流入被标定气体检测仪器后在其内部也可产生持续的压力。
4）、在标准物质蒸气进入气体检测仪器后，启动仪器对其进行检测。
5）、标定结束后关闭阀门3。
6）、根据温度贴点5测量的标准物质温度和饱和蒸气压与温度转换关系，计算饱和蒸气压力。如图2和图3所示，例如，若使用萘为标准物质，常温下腔室内部萘蒸气的气压为10Pa。根据饱和蒸气压力、限流孔流导和气体检测设备内初始气压计算进入仪器内部标准物质气压。例如，若使用流导为0.1mL/s的限流孔，气体检测仪器以50mL/s的速率排气，则萘在气体检测仪器内部气压可升至2E-4Pa后缓慢下降。根据气压和仪器对标准物质检测所得信号，计算仪器的灵敏度，此外还可利用多次检测结果评估检测的准确性、稳定性等性能。
本装置体积小、功耗低、不需要主动热控。
本装置利用固态样品，稳定性高、不易因泄露损失。
本装置利用固态样品饱和蒸气压低的优势，每次释放标准物质量少、可控，因此使用次数和总时长远远高于气态标准物质。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，其特征在于，包括：
腔室（1），所述腔室（1）的一端用于放置标准源，所述标准源包括固体标准物质，固体标准物质释放产生的蒸气作为压力稳定的气源；其中，所述固体标准物质为含有一种或多种固体物质，包括萘；所述固体标准物质蒸气压常温在0.1~100Pa，质量在80~500amu，固体标准物质总重量在0.01~10g；
限流部，位于所述腔室（1）另的一端，用于限制气源的流速；所述限流部为一带有限流孔（4）的金属片，该限流孔（4）流导范围为0.1~0.0001mL/s；
温度贴点（5），位于所述腔室（1）的一端，用于测量腔室（1）和标准物质的温度；
阀门（3），位于所述限流部和温度贴点（5）之间，用于控制气源是否流出所述腔室（1）;
其中，所述腔室（1）、所述限流部、所述温度贴点（5）、所述阀门（3）之间气密相连，所述限流部出口与需标定的气体检测仪器相连。
2.如权利要求1所述的一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，其特征在于，还包括过滤部，该过滤部为筛网（2）或滤芯，该筛网（2）或滤芯位于所述阀门（3）和温度贴点（5）之间的腔室（1）内，用于将含有固体标准物质的腔室（1）出口堵住，防止标准物质溢出，并使气源通过。
3.如权利要求1所述的一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，其特征在于，所述腔室（1）用于放置固体标准物质的一端封闭，腔室（1）体积在0.1~5mL。
4.如权利要求2所述的一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，其特征在于，所述筛网（2）或滤芯孔隙度小于固体标准物质颗粒物直径。
5.如权利要求4所述的一种航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置，其特征在于，所述筛网（2）或滤芯选用多孔金属材料，孔隙度小于等于10μm。
6.一种如权利要求2所述的航天探测用气体检测仪器在轨定标微型标准源装置的使用方法，其特征在于，包括：
腔室（1）内的固体标准物质释放产生蒸气，蒸气的压力为当前温度下该物质的饱和蒸气压，作为压力稳定的气源；
对气体检测仪器定标时，开启阀门（3），气源在压力差的带动下自发地流过筛网（2）或滤芯、阀门（3）、限流孔（4）；其中，所述腔室（1）、所述限流部、所述温度贴点（5）、所述阀门（3）之间气密相连，所述限流孔（4）出口与需标定的气体检测仪器相连；
在气源进入气体检测仪器后，启动仪器对其进行检测；
标定结束后关闭阀门（3）；
根据温度贴点（5）测量的固体标准物质温度和饱和蒸气压与温度转换关系，计算饱和蒸气压力，最终用于计算标准物质产生标准蒸气的浓度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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